茅和平 高 叢 郁程鵬

（無(wú)錫市三和農(nóng)業(yè)灌排工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇無(wú)錫 214072）

1 灌水均勻性問(wèn)題分析

1.1 放水口存在較大的壓差及水頭損失

在配水管道的設(shè)計(jì)流量符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，配水管道的管徑過(guò)小或管道過(guò)長(zhǎng)，均會(huì)導(dǎo)致水頭發(fā)生損失。在特定條件下，如水源或所處地形因素較為復(fù)雜，將無(wú)法控制配水管的長(zhǎng)度，在這種狀態(tài)下導(dǎo)致配水管道的水頭發(fā)生損失的主要誘導(dǎo)因素為配水管道的管徑[1-2]。

1.2 放水口設(shè)計(jì)工作水頭未達(dá)到需求標(biāo)準(zhǔn)

放水口的設(shè)計(jì)工作水頭未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，可能是出水管道損失、能量轉(zhuǎn)換成勢(shì)能及功能的出流等方面存在問(wèn)題。在低壓管道輸水灌溉管網(wǎng)分布形式確立后，水流的勢(shì)能處于一定的狀態(tài)，當(dāng)放水口處工作水頭較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致出流量、水流速度增加，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)此類(lèi)情況下的放水口工作水頭選擇范圍為0.3～0.5 m，按經(jīng)濟(jì)流速確定管徑后，實(shí)際的值最大可達(dá)到2.0 m，這種選擇范圍會(huì)造成能量損失，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成沖刷[3-4]。

1.3 放水口流量的設(shè)計(jì)值與實(shí)際值有差異

放水口管道管徑的選擇按照流量的多孔流出公式進(jìn)行計(jì)算所得，在實(shí)際中，配水管道首端具有較高壓力，因此，放水口的實(shí)際值將高于設(shè)計(jì)值。

流量的多孔流出公式計(jì)算放水口內(nèi)徑：

式中：q——放水口位置=設(shè)計(jì)流量數(shù)值（m3/s）；μ——流量系數(shù)；g——重力加速度，取值為9.807 m/s2；h——放水口的設(shè)計(jì)工作水頭（m）。

流量系數(shù)可分為自由出流、淹沒(méi)出流兩種形式：

式中：λ——流量的沿程阻力系數(shù)；L——放水管道的長(zhǎng)度（m）；ξ——局部水頭損失系數(shù)。

根據(jù)式（2）、式（3）可知，其中包含放水口內(nèi)徑d，與式（1）存在矛盾，進(jìn)行流量系數(shù)計(jì)算時(shí)，由于存在管徑因素的限制，本研究將采用試算法進(jìn)行計(jì)算，即首先選定放水管的內(nèi)徑，再通過(guò)流量的多孔流出公式校驗(yàn)放水口內(nèi)徑是否符合要求。

1.4 計(jì)算調(diào)整、校驗(yàn)

為了更好地解決上述問(wèn)題，將對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中相應(yīng)的計(jì)算進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、校驗(yàn)。

對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)整校驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)整校驗(yàn)步驟

2 實(shí)例分析

2.1 基本情況分析

某農(nóng)場(chǎng)面積為26.5 hm2，規(guī)格為300 m×900 m，農(nóng)作物為稻麥輪作，農(nóng)場(chǎng)平均高程為2.5 m，所處區(qū)域?yàn)榉圪|(zhì)黏土，臨近河流可作為灌溉水源，河流水位為1.8 m，水源滿足農(nóng)作物的灌溉需求。

2.2 低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)布置

利用三級(jí)管網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)中干管的總長(zhǎng)度為20 m，為南北方向布置。

通過(guò)垂直于干管分出的兩條長(zhǎng)度為100 m的管道進(jìn)行南北方向分水，使用三條支管將水輸送至田間，各條支管管道長(zhǎng)度為900 m，各支管采用雙側(cè)配水，各放水口距離50 m，管網(wǎng)中共有放水口110個(gè)，各放水口負(fù)責(zé)50 m×50 m的農(nóng)田灌溉。該低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)灌溉定額根據(jù)水稻定額計(jì)算為150 mm，水稻泡田期為2 d，實(shí)施續(xù)灌。

系統(tǒng)平面布置如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)平面布置

2.3 結(jié)果分析

系統(tǒng)調(diào)整校驗(yàn)后各支管放水口出流量如表1所示。

表1 系統(tǒng)調(diào)整校驗(yàn)后各支管放水口出流量

針對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)，總干管采用規(guī)格為DN400的PVC-M管道，干管、支管與總干管材質(zhì)相同，規(guī)格為DN315，放水管采用PE管規(guī)格DN50；系統(tǒng)中管道公稱(chēng)壓力0.4 MPa；系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量1 100 m3/h，水泵定額揚(yáng)程為7.5 m，轉(zhuǎn)速為750 r/min，配30 kW電機(jī)；各放水口設(shè)計(jì)流量為8.8 m3/h。在實(shí)施連續(xù)灌溉作業(yè)的情況下，系統(tǒng)中水泵運(yùn)行工況流量約為1 260 m3/h、水泵揚(yáng)程為6.9 m、轉(zhuǎn)速為750 r/min，系統(tǒng)中支管1～8放水口實(shí)際出流量高于設(shè)計(jì)流量，但各支管放水口均從第9個(gè)以后的放水口實(shí)際出流量已無(wú)法滿足灌溉的需求，尤其是各支管第10～18放水口均為無(wú)水狀態(tài)。

利用本研究中設(shè)計(jì)方式對(duì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算調(diào)整、校驗(yàn)，總干管、干管、支管均為PVC-M管道、規(guī)格為DN400，放水管材質(zhì)、管徑保持不變。系統(tǒng)中管道壓力為0.4 MPa，將水泵更換為軸流泵，其額定流量為1 225 m3/h、額定揚(yáng)程為4.6 m、轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，配25 kW電機(jī)。

在常規(guī)系統(tǒng)中進(jìn)行有效調(diào)整、校驗(yàn)后，實(shí)施連續(xù)灌溉作業(yè)的情況下，系統(tǒng)水泵運(yùn)行工況流量為1 150 m3/h、水泵揚(yáng)程為3.6 m，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min。低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)中，各放水口出流量均可達(dá)到灌溉的需求，且支管流量沿程分出管道水頭損失逐漸減小，穩(wěn)定性不斷提高，提升了灌水均勻性。

2.4 工程效益分析

工程實(shí)施后按照國(guó)民經(jīng)濟(jì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，該農(nóng)場(chǎng)內(nèi)部收益率為14.13%，高于社會(huì)折現(xiàn)率12%，其經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比值為1.15，高于標(biāo)準(zhǔn)值，農(nóng)場(chǎng)各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

工程成本增加10%～20%及農(nóng)場(chǎng)效益降低5%～10%時(shí)，農(nóng)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率在可保持在12.4%～13.30%范圍內(nèi)，綜合效益費(fèi)用比值在1.0%～1.03%內(nèi)波動(dòng)，該工程具有較好的經(jīng)濟(jì)抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

3 結(jié)語(yǔ)

常規(guī)低壓管道輸水灌溉技術(shù)在運(yùn)用中常出現(xiàn)流量不均勻的情況，無(wú)法滿足農(nóng)業(yè)灌溉中的需求，通過(guò)對(duì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算、調(diào)整，可提升各放水口的出流量、灌溉的均勻性，并且對(duì)水泵、放水口進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn)，提升了常規(guī)低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)的穩(wěn)定性、適用性。